胡磊，李德堯，劉建平，田愛琴，王旦，張濤，吳思，徐鵬，楊輝

（1 中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米器件與應(yīng)用重點實驗室，江蘇蘇州215123）

（2 廣東中科半導體微納制造技術(shù)研究院，廣東佛山528000）

0 引言

氮化鎵（Gallium Nitride，GaN）基材料具有大禁帶寬度、高電子遷移率、高熱導率等特點，且是一種直接帶隙發(fā)光材料，應(yīng)用于各種電子器件和光電器件中，受到了廣泛關(guān)注。相對于GaN 基發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）而言，GaN 基激光器（Laser Diode，LD）具有方向性好、亮度高、顏色純以及在大電流注入下保持高效率的特點，其中高功率GaN 基藍光激光器在激光顯示、激光照明、激光通信和金屬加工等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景［1-6］。但高功率GaN 基藍光激光器的研制難度極大，主要與外延生長、工藝制備以及封裝工藝這三個難點有關(guān)：1）激光器外延結(jié)構(gòu)復雜，需保證晶體質(zhì)量的同時提高量子阱發(fā)光效率和減少光吸收損耗［7-9］；2）需減少工藝制備過程中引入的側(cè)壁損耗與腔面損耗［10］；3）需開發(fā)與倒裝工藝匹配的低熱阻封裝技術(shù)，從而高功率GaN 基藍光激光器能有效散熱［11-13］。

近年來，國內(nèi)外在高功率GaN 基藍光激光器方面都取得了較大的進展。日本日亞公司采用TO90 倒裝方式，將熱阻降至6 K/W，制備了波長為455 nm、連續(xù)工作光功率約5.7 W 的藍光激光器［14］；索尼公司報道了連續(xù)工作光功率約5 W 的藍光激光器［15］；德國歐司朗公司也采用TO90 封裝方式，獲得了連續(xù)工作光功率為5.5 W 的藍光激光器［16］，其熱阻為8 K/W；中科院半導體所報道了連續(xù)工作光功率為6 W 的藍光激光器［17］。

本文通過優(yōu)化GaN 基藍光激光器的封裝結(jié)構(gòu)，采用雙面封裝方式以提高藍光激光器的散熱能力，實現(xiàn)藍光激光器的熱阻為6.7 K/W，特征溫度T0為235 K，代表雙面封裝的藍光激光器具有好的材料質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和封裝。脊寬45 μm、腔長1 200 μm 藍光激光器的閾值電流密度為1.1 kA/cm2，斜率效率為1.4 W/A，在6 A電流工作下，室溫連續(xù)工作光輸出功率達到了7.5 W。

1 結(jié)構(gòu)

用金屬有機化學氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）外延設(shè)備在c 面GaN自支撐襯底上生長藍光激光器外延結(jié)構(gòu)。外延結(jié)構(gòu)由硅（Si）摻雜的n-Al0.08Ga0.93N 下限制層，Si 摻雜的n-GaN 層，Si 摻雜的n-In0.04Ga0.96N 波導層（Waveguide Layer，WG），兩個周期的In0.16Ga0.84N/GaN 多量子阱（Multiple Quantum Wells，MQWs），非故意摻雜的In0.02Ga0.98N 波導層，鎂（Mg）摻雜的p-Al0.2Ga0.8N 電子阻擋層（Electron Blocking Layer，EBL），Mg 摻雜的Al0.07Ga0.93N/GaN（2.5/2.5 nm）超晶格上限制層和重摻雜的p-InGaN 接觸層組成。藍光激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示，首先用磁控濺射設(shè)備在藍光激光器外延結(jié)構(gòu)上沉積金屬接觸電極p-elecrode，光刻并采用干法刻蝕出激光器45 μm 寬的脊形結(jié)構(gòu)，然后在脊形兩側(cè)沉積200 nm 二氧化硅，起到電學隔離的作用。在頂部沉積p型電極，并將GaN 襯底減薄拋光后沉積n 型電極。最后沿m 面解理成1 200 μm 長的巴條，在前后腔面沉積具有不同反射率的多層介質(zhì)膜形成光學諧振腔。

圖1 氮化鎵基藍光激光器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of GaN-based LD

2 封裝

為了獲得GaN 基藍光激光器在室溫連續(xù)條件下的高光功率輸出，需要將藍光激光器單芯片進行封裝，GaN 激光器的焦耳熱主要來自于量子阱的非輻射復合和p 型層，采取p-down 倒裝封裝方式才能更好地散熱。圖2（a）為采取單面封裝方式的藍光激光器示意圖，將藍光激光器倒裝封裝在AlN 過渡熱沉上，并共晶在銅塊上提供散熱通道，AlN 過渡熱沉與陶瓷基板通過打線串聯(lián)在一起，作為高功率藍光激光器的正極，從藍光激光器的N 面打線至陶瓷基板作為負極。與單面封裝的藍光激光器不同，雙面封裝方式采用銅塊2 與藍光激光器N 面充分貼合，增加激光器的散熱，如圖2（b）。

圖2 高功率GaN 基藍光激光器的兩種封裝方式Fig.2 Two packaging methods for high-power GaN-based blue laser diode

2.1 熱阻

通過激光器的熱阻大小可以判斷封裝的好壞，測量激光器正向電壓隨溫度變化關(guān)系，獲得激光器的電壓溫度系數(shù)，從而計算出熱阻［18-19］。圖3（a）為熱阻測試電路示意圖，其中E 是一個小的直流電源，并聯(lián)電容C用以吸收電源的噪聲波動，電路中并聯(lián)了兩個電阻R1 和R2，其中R1 的阻值遠大于R2，待測試的藍光激光器串聯(lián)在電路內(nèi)，示波器測量電阻兩端以及激光器兩端電壓變化情況。測試開始前，先閉合開關(guān)S，由于并聯(lián)電阻較小，激光器在大電流、高結(jié)溫下工作；隨后斷開開關(guān)S，激光器轉(zhuǎn)換成小電流工作，結(jié)溫慢慢下降，正向電壓發(fā)生變化，此正向電壓差即為結(jié)溫變化引起的正向電壓變化值，根據(jù)式（1）和（2）可計算出藍光激光器的熱阻［20-21］

式中，VFB是小電流平衡狀態(tài)穩(wěn)定的電壓，VFA是斷開開關(guān)后一定延時時間后的小電流電壓，Tc為電壓溫度系數(shù)，Rth是熱阻，IH是激光器大電流工作時電流，VH是激光器大電流工作時電壓，Pout是大電流工作時的光功率。單面封裝和雙面封裝方式的藍光激光器的電壓隨時間變化曲線分別如圖3（b）和圖3（c）所示。根據(jù)電壓差求得單面封裝的藍光激光器的熱阻為8.5 K/W，而雙面封裝的藍光激光器的熱阻為6.7 K/W。可以發(fā)現(xiàn)采取雙面封裝方式的GaN 基藍光激光器的熱阻較小，能更有效散熱，有利于高功率藍光激光器室溫連續(xù)條件下工作。

圖3 不同封裝方式的藍光激光器熱阻測試曲線Fig.3 Thermal resistance test curves of blue lasers with different packaging methods

2.2 特征溫度

激光器的閾值電流密度Jth隨溫度變化而變化，閾值電流密度與溫度之間的關(guān)系滿足［22］

式中，Tr是室溫，T0是特征溫度。

特征溫度T0是衡量半導體激光器溫度穩(wěn)定性的參數(shù)，它與激光器芯片的材料質(zhì)量和結(jié)構(gòu)有關(guān)，可判斷激光器能否在室溫下連續(xù)工作，用兩個不同溫度下閾值電流的比值來衡量激光器的熱穩(wěn)定性，比值越小代表這個器件具有更好的溫度特性［22-24］。圖4（a）為單面封裝的藍光激光器從室溫加到65 ℃時的連續(xù)工作下功率-電流（P-I）曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度增加，藍光激光器的閾值電流增加，斜率效率略微下降，圖4（b）為其特征溫度的擬合曲線，根據(jù)式（3）擬合的單面封裝藍光激光器的特征溫度為132 K。根據(jù)雙面封裝的藍光激光器從室溫加到65 ℃時的連續(xù)工作下的P-I曲線，如圖4（c），閾值電流增加更為緩慢，擬合獲得雙面封裝的藍光激光器的特征溫度為235 K，如圖4（d）所示，對比發(fā)現(xiàn)雙面封裝的藍光激光器的特征溫度更高，表明這種封裝方式具有更好的溫度穩(wěn)定性。

圖4 不同封裝方式的藍光激光器的特征溫度測試曲線Fig.4 Characteristic temperature curves of blue lasers with different packaging methods

3 器件性能

圖5 為單面封裝和雙面封裝的GaN 基藍光激光器的室溫連續(xù)電注入時的功率-電流-電壓（P-I-V）曲線，脊寬45 μm、腔長1 200 μm 的兩種封裝方式的藍光激光器的激射波長均為442 nm，閾值電流密度均為1.1 kA/cm2，雙面封裝的藍光激光器的斜率效率為1.4 W/A，單面封裝的藍光激光器的斜率效率更高為1.5 W/A。當電流增加至3 A，單面封裝的藍光激光器的斜率效率開始明顯下降，當電流繼續(xù)增加至4 A 時，功率出現(xiàn)了飽和，這是單面封裝的藍光激光器散熱不佳、結(jié)溫升高所導致，同時，我們發(fā)現(xiàn)單面封裝的藍光激光器的電壓小于雙面封裝的藍光激光器，也表明單面封裝的藍光激光器散熱不佳，熱量囤積導致電壓下降。最終獲得的雙面封裝的藍光激光器在6 A 電流工作下，工作電壓為5.9 V，輸出功率達到了7.5 W，表明低的熱阻和高的特征溫度有助于獲得高功率藍光激光器。

圖5 不同封裝方式的藍光激光器的室溫連續(xù)工作時的P-I-V 曲線Fig.5 P-I-V curves of blue laser with different packaging methods under continuous-wave operation at room temperature

4 結(jié)論

采用雙面封裝方式，優(yōu)化GaN 基藍光激光器的封裝結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后雙面封裝GaN 基藍光激光器熱阻降到6.7 K/W，特征溫度T0提高到為235 K，表明雙面封裝的藍光激光器具有良好的材料質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和封裝。脊寬45 μm、腔長1 200 μm 雙面封裝的藍光激光器的閾值電流密度為1.1 kA/cm2，斜率效率為1.4 W/A，在6 A電流工作下，室溫連續(xù)工作光輸出功率達到了7.5 W。